Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1 Технология послеуборочной обработки зерна 9
1.2 Характеристика зернового вороха, поступающего на послеуборочную обработку и условия обработки зерна в Сибири 10
1.3 Требования, предъявляемые к предварительной очистке зерна 15
1.4 Технологический процесс сепарации зерна в применяемых машинах предварительной очистки зерна 16
1.5 Способы повышения производительности цилиндрических решет 21
1.7 Технологический процесс сепарации в цилиндрическом решете.. 30
1.8 Выводы по главе и задачи исследований 35
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса сепарации зернового вороха в цилиндрическом колосовом решете с винтовым распределителем 37
2.1 Определение движения зернового вороха по цилиндрическому решету без учета влияния винтового распределителя 40
2.1.1 Определение максимального угла подъема зерна вовращающемся решете 40
2.1.2 Определение условий относительного движения при абсолютном подъеме зерновки 42
2.1.3 Фаза отрыва зерновки от поверхности решета 45
2.1.4 Фаза относительного движения зерновки 47
2.2 Обоснование параметров горизонтального цилиндрического решета с винтовым распределителем 48
2.3 Исследования движения частицы по внутренней поверхности решета с учетом влияния распределителя 57
2.4 Определение конструктивных параметров цилиндрического колосового решета с винтовым распределителем 60
2.5 Определение положения зерна в решетном цилиндре 62
2.6 Определение расчетной производительности цилиндрического колосового решета с винтовым распределителем 66
2.7 Выводы по главе 73
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований 75
3.1 Программа экспериментальных исследований 75
3.2 Описание экспериментальной установки 76
3.3 Методика проведения экспериментальных исследований 81
3.4 Методика проведения планируемого полно факторного эксперимента 83
3.5 Оценка микроповреждений зерна в цилиндрическом колосовом решете с винтовым распределителем 92
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 94
4.1 Оценка просевания зерна по длине решета 94
4.2 Влияние зазора между винтовым распределителем и решетной поверхностью на процесс сепарации зерна в цилиндрическом колосовом решете 95
4.3 Оценка адекватности результатов теоретических исследований 96
4.4 Результаты полнофакторного эксперимента 97
4.5 Производительность цилиндрического колосового решета на различном зерновом ворохе 103
4.6 Оценка микроповреждений зерна в цилиндрическом колосовом решете с винтовым распределителем 104 4.7 Выводы по главе 105
ГЛАВА 5. Оценка экономической эффективности работы колосового цилиндрического решета с винтовым распределителем 106
5.1 Производственная проверка экспериментального образца колосового цилиндрического решета с винтовым распределителем 106
5.2 Расчет параметров машины предварительной очистки зерна ПрОИЗВОДИТеЛЬНОСТЬ 50 Т/Ч і QO
5.3 Показатели экономической эффективности применения цилиндрического решета с винтовым распределителем в машине предварительной очистки зерна 109
5.4 Определение экономической эффективности в стоимостной
форме 111
Общие выводы 117
Список условных обозначений и символов 119
Список литературы
- Технологический процесс сепарации зерна в применяемых машинах предварительной очистки зерна
- Обоснование параметров горизонтального цилиндрического решета с винтовым распределителем
- Методика проведения экспериментальных исследований
- Оценка адекватности результатов теоретических исследований
Технологический процесс сепарации зерна в применяемых машинах предварительной очистки зерна
Предварительная очистка - важная операция по очистке зерна, ее проводят для создания благоприятных условий при выполнении последующих технологических операций послеуборочной обработки зерна, главным образом, его сушки. Для этого в простейших воздушно-решетных машинах (ворохоочистителях) из зернового вороха выделяют крупные (иногда мелкие) примеси, что повышает сыпучесть зерновой массы и облегчает передвижение ее в зерносушилке. Предварительная очистка вороха повышает его устойчивость к факторам порчи, особенно развитию процесса самосогревания [66].
Машины предварительной очистки должны выполнять очистку свежеуб-ранного зернового вороха влажностью до 35 % с содержанием сорной примеси до 20 %, в том числе фракции соломистых примесей до 5 %. В процессе очистки должно выделяться не менее 50 % сорной примеси, в том числе практически вся соломистая примесь. В очищенном материале содержание соломистых примесей длиной частиц до 50 мм должно быть не более 0,2 %, а частиц длиной более 50 мм вообще не должно быть. Содержание полноценных зерен в отходах не должно превышать 0,2 % от массы зерна основной культуры в исходном материале. В процессе предварительной очистки зерновой ворох должен разделяется как минимум на две фракции: очищенное зерно и отходы [113].
Предварительная очистка наиболее эффективна, если она проводится сразу же при поступлении зерна от комбайна на ток. Задержка с очисткой даже на одну ночь связана с опасностью снижения качества и возникновения процесса самосогревания зерна. Кроме того, при задержке с очисткой происходит быстрое перераспределение влаги между более влажными примесями и зерном, в результате чего часть зерна становится еще более влажной, то есть происходит ухудшение его качества [114].
Выбор способа сепарирования зависит от основных признаков различия частиц компонентов зернового вороха, которые необходимо разделить. Зерно в обязательном порядке подлежит очистке в воздушно-решетных машинах, состоящих, соответственно, из воздушного и решетного сепараторов. При очистке в воздушном сепараторе поток воздуха, продувая зерно, уносит легкие примеси. Таким образом, от основного зерна отделяются части стеблей и колосьев, полова, семена сорных растений, щуплые, изъеденные вредителями зерна, пыль и т.п. Просеивание зерновой массы в решетных сепараторах обеспечивает разделение по геометрическим размерам (толщине и ширине). По конструктивному исполнению основных рабочих органов решетные сепараторы разделяются на сепараторы с плоскими, цилиндрическими и криволинейными решетными поверхностями. В свою очередь, последние могут быть выполнены в вертикальном и горизонтальном исполнении.
Реализация процесса просеивания на плоских решетах и в вертикальных цилиндрических решетах требует приведения их в возвратно-поступательные движения, что достигается использованием различных колебательных и вибрационных приводов. Вызываемые динамические нагрузки и резонансные явления требуют соответствующего усиления фундаментов, а также высокую степень их жесткости. В связи с этим, сепараторы с плоскими или вертикальными цилиндрическими решетами отличающиеся сложностью привода, требуют высокой прочности и жесткости подвижных элементов и станин, что снижает их надежность.
Перечисленных недостатков лишены сепараторы с горизонтально расположенными цилиндрическими решетами. В таких сепараторах подлежащее очистке зерно подается внутрь вращающегося барабана, двигается от входа к его выходу под действием подпора и небольшого наклона. При перекатывании по поверхности, зерно просеивается через решето. Часть зерна, которая не прошла сквозь решето поступает на следующее и в конце барабана выводится сходом. Для такой организации просеивания колебания рабочих органов не требуются. Выполнение условий просеивания обеспечивается за счет вращения барабана вокруг своей оси. Следовательно, в сепараторах рассматриваемого типа динамические нагрузки на рабочие органы и строительные конструкции практически отсутствуют. Такие сепараторы значительно проще, надежнее, а также могут быть установлены и смонтированы с гораздо меньшими затратами. Следует отметить, что в отличие от плоских, применение цилиндрических решет создает условия для использования простых, надежных и очень эффективных средств очистки, что является залогом эффективности сепарирования.
Приведенные преимущества давно и хорошо известны, т.к. машины с горизонтально расположенными вращающимися барабанами широко применялись в нашей стране ранее.
В настоящее время производится несколько машин предварительной очистки зерна, оснащенных цилиндрическими решетами, такие как ОЗЦ-50 (Беларусь), скальператор А1-БЗО (ОАО "Мельинвест"), УЗМ-50 (ОАО «Кузембетьев-ский РМЗ»), сепаратор зерна «СППЗ», машина предварительной очистки ЗАО "Элеватор-Сервис" а так же сито-воздушный сепаратор «ЛУЧ ЗСО» и Скальператор СКО-200 (ООО «Олис» Украина) [59, 60, 90, 102, 106, 107].
Проведенный анализ позволил выделить ряд недостатков в работе представленных на рынке машин для предварительной очистки зерна.
Скальператор А1-Б30 (рисунок 1.4) имеет решетный барабан, закрепленный консольно на приводном валу, что снижает надежность его работы. Рабочая зона сепарации не превышает 600 мм, что отражается на качестве очистки зернового вороха. Скальператор не обеспечивает выделение легких примесей, поэтому не может использоваться в качестве машины предварительной очистки в составе комплексов послеуборочной обработки зерна. 1 Г.&Ф
Универсальная зерноочистительная машина УЗМ-30/15 (рисунок 1.7) имеет развитую систему воздушной очистки, надежную систему очистки решета от колосков и соломы в виде щеток. Так же машина оснащена различного типа решетами для выделения мелких и крупных соломистых примесей, однако существенным недостатком машины является неуправляемое перемещение зернового вороха по решету и большие габаритные размеры.
Обоснование параметров горизонтального цилиндрического решета с винтовым распределителем
Такой подход к описанию движения частицы на вращающемся винте в цилиндрическом решете позволяет оценить влияние различных параметров на процесс движения зерновой частицы.
При расчете винтового распределителя необходимо располагать данными о характере связей между параметрами и кинематическими элементами движения зерна и отдельных частиц. Перемещение материала по поверхности распределителя происходит как в аксиальном, так и перпендикулярном к нему направлениях, а движение частицы совершается по кривой линии. В этом случае, возникает необходимость в установке связей в виде, пригодном для практического использования данного типа винтового распределителя. Предположим, что имеется сепаратор зернового вороха, расположенный к горизонту под углом а, состоящий из решета и винтового распределителя, при этом сделаем допущение, что решето неподвижно, а распределитель вращается около своей оси с постоянной угловой скоростью юв. Если в начальный момент времени зерновая частица находится в нижней точке решета, то через некоторый отрезок времени она переместится вверх, будучи затянутой силой трения, возникающей между частицей и поверхи о 52 стью распределительного винта, перемещаясь по поверхности решета, как в аксиальном, так и перпендикулярном ему направлениях, совершая прямолинейный характер движения (рисунок 2.11).
Направление сил за исключением fx2 являются заданными. Реакция NB и сила трения fJSfB во всех точках движения будут лежать в плоскостях, изображенных на рисунках 2.12, 2.13
Разложение нормальной реакции поверхности винтового распределителя в плоскости О z ф Угол 0 между нормальной реакцией поверхности винта и осью Оу характеризуют геометрические параметры винта, цилиндрического решета и размер зерновых частиц в решете, и определяется по формуле:
Для того, чтобы найти направление силы трения f2N2 необходимо знать положение касательной к траектории движения частицы по поверхности решета, поскольку она направлена по этой касательной в сторону, обратную направлению скорости ее движения. Таким образом, направление силы трения будет меняться с изменением направления скорости движения частицы. движения частицы по внутренней поверхности решета с учетом влияния распределителя
Рассмотрим движение зерновой частицы по внутренней поверхности горизонтального цилиндрического решета с винтовым распределителем при условии, что движение зерновки по витку распределителя происходит при различной частоте вращения решета и распределителя, а так же противоположном направлении их вращения.
Пусть имеется вращающееся с угловой скоростью юр цилиндрическое решето, установленное под углом а к горизонту. Внутри решета установлен винтовой распределитель, вращающийся с угловой скоростью юв в противоположную сторону относительно решета. В мочку М0 подается зерновая частица с начальной угловой скоростью ф=0 (рисунок 2.16). Через некоторый промежуток времени зерновая частица отклонится от вертикали в сторону противоположную вращению решета на угол фі, переместившись в точку Мь
Примем положение системы координат с началом в точке Мь Движение зерновой частицы по поверхности винтового распределителя происходит под действием следующих сил: коэффициент внутреннего трения зерна. Решением данного уравнения получены зависимости для определения параметров решета (рисунок 2.17), характеризующие влияние угла наклона решета а на угловую скорость движения зерновки по решету при различной влажности. Выявлены рациональные параметры угла наклона решета а=2-3,5 град.
Одним из основных показателей зерноочистительных машин является их производительность. Под производительностью здесь и ниже понимается максимальная подача зерна в машину при нормативном качестве его очистки. Показателями качества работы колосового решета машины предварительной очистки являются потери зерна со «сходовой» фракцией. Согласно ГОСТ 5888 - 74 и исходным требованиям на базовые технологические операции, общие потери зерна с отходами в машине предварительной очистки не должны превышать 0,2 %. Если принять условно одинаковый уровень допустимых потерь зерна в системах воздушной и решетной очистки, то потери зерна в цилиндрическом колосовом решете не должны превышать 0,1 %. Чтобы определить производительность колосового решета необходимо установить зависимость потерь зерна от величины подачи зернового вороха. На производительность цилиндрического колосового решета с винтовым распределителем влияют следующие основные факторы:
Длина цилиндрического решета в зерноочистительных машинах обычно составляет 2-4 его диаметра. Учитывая необходимость установки на машине предварительной очистки зерна не только колосового, но и подсевного решета, и относительно высокую удельную производительность колосовых решет, для компактности машины было принято меньшее отношение длины цилиндрического решета к его диаметру, то есть равное двум.
Размер отверстий решетного полотна обуславливается в основном видом обрабатываемой культуры и выполняемой технологической операцией. На машине предварительной очистки для основных культур достаточно применить решета с круглыми отверстиями диаметром 10-12 мм.
Методика проведения экспериментальных исследований
Предварительными опытами было установлено, что при работе цилиндрического решета без винтового распределителя максимальная производительность обеспечивалась при угле наклона решета к его концу, равном одному градусу, частоте вращения решета 40 мин"1, и составила 1,1 кг/с.
С целью определения показателей работы цилиндрического решета с винтовым распределителем на различном зерновом ворохе были проведены опыты на зерне пшеницы влажностью 14 и 24% , а также ячменя при влажности 14 (рисунок 4.5). На установке были заданы следующие параметры: частота вращения решета ир=65 мин"1, частота вращения винта ив=50 мин"1, угол наклона решета а=3,5. Производительность решета на обработке зерна пшеницы влажностью 14% составила 2,9 кг/с, что выше, чем на зерне пшеницы влажность 24%. При увеличении влажности зерна с 14 до 24% производительность решета уменьшилась до 1,7 кг/с, производительность на ячмене составила 2 кг/с, то есть на 30% меньше, чем при обработке пшеницы.
Опыты по оценке микроповреждения зерна показали, что относительное содержание поврежденных зерен в пробах до и после обработки отличается несущественно (таблица 4.2). До обработки количество зерен с поврежденным зародышем находилось в пределах 0,1... 5,1%, после обработки
Получены регрессионные модели процесса сепарации в цилиндрическом решете, анализ которых показал, что наибольшее влияние оказывают факторы: угол наклона решета, частота вращения решета и частота вращения распределителя. Что подтвердило теоретические предпосылки.
При принятых размерах решета и распределителя установлены рациональные значения параметров: угол наклона решета а=3,5; частота вращения решета, ир=65 мин"1; частота вращения распределителя, ив=50 мин"1. При этом достигается максимальное значение производительности при минимальных потерях основной культуры. Установлены показатели кинематических режимов решета Кр = 0,71 и распределителя Кв=0,39.
Результаты теоретического и экспериментального исследований подчиняются одним и тем же закономерностям, несмотря на некоторое расхождение в абсолютных величинах.
Целью производственной проверки было удостовериться в превышении качественных и количественных показателей опытного образца и, при необходимости, усовершенствование его основных конструктивных, кинематических и технологических параметров.
Производственная проверка лабораторно-производственной установки была проведена в ОПХ "Элитное" СО Россельхозакадемии.
Кинематические и технологические параметры работы экспериментального сепаратора были выбраны в пределах рациональных значений, определенных в результате экспериментальных исследований:
Контроль качества зерноочистки осуществлялся по методике, описанной в главе 3, производительность установки рассчитывалась косвенным методом; для расчетов применялись весы и мерные емкости, потребляемая мощность определялась путем замера потребляемых тока и напряжения соответственно амперметром и вольтметром.
Производственная проверка экспериментального образца проводилась на обработке свежеубранного зерна ячменя, поступившего непосредственно от комбайнов. Влажность исходного зерна - 14,7%, натурная масса - 639 г/л, содержание сорных и зерновых примесей - 8,4%, в том числе соломистых примесей 0,4%. Экспериментальный образец был оснащен решетным цилиндром с круглыми отверстиями диаметром 10 мм.
В результате производственной проверки установлено, что экспериментальный образец цилиндрического колосового решета с винтовым распределителем обеспечивает полное выделение из зерна соломистых примесей при допустимых потерях зерна (0,1 %). При этом производительность экспериментального образца составила - 7,6 т/ч. Удельная производительность на единицу площади решетной поверхности составила 3,7 кг/(см ). Акт производственной проверки представлен в приложении И.
Расчет параметров машины предварительной очистки зернового вороха производительность 50 т/ч.
Цилиндрическое решето с винтовым распределителем является составной частью машины предварительной очистки зерна производительностью 50 т/ч. Расчет параметров и режимов работы выполнен на основе полученных в результате исследований показателей кинематических режимов решета и распределителя и удельной производительности решета. Исходные данные для расчета приведены в таблице 5.1. Расчет параметров и режимов работы цилиндрического решета с винтовым распределителем дан в таблице 5.2.
Оценка адекватности результатов теоретических исследований
Тип зависимости математической модели должен отвечать двум основным требованиям: адекватность и простота. Адекватность модели проверяется после реализации опытов статистическими методами. Если несколько моделей отвечают требованиям адекватности, то следует выбирать самую простую из них. Самыми простыми в настоящее время считаются модели в виде алгебраических полиномов. Коэффициенты математической модели являются частными производными функциями отклика по соответствующим переменным.
Величина коэффициента в уравнении регрессии - количественная мера влияния определенного фактора. Чем больше коэффициент, тем сильнее его влияние. Характер влияния факторов определяется знаками коэффициентов. Знак плюс свидетельствует о том, что с увеличением значения фактора растет величина выходного параметра, а при знаке минус - убывает. Интерпретация знаков зависит от того, что нужно найти: максимум или минимум функции отклика. Если у тах, то увеличение значений всех факторов, коэффициенты которых имеют знак плюс, благоприятно. Если у— тіп, то, наоборот, благоприятно увеличение значений тех факторов, знаки коэффициентов которых отрицательны.
При составлении плана эксперимента для каждого фактора выбирают, как правило, три уровня: верхний, средний (основной) и нижний. Далее реализуют все возможные сочетания этих уровней. Коэффициенты математической модели определяются по экспериментальным данным. Система обозначений и вывод соответствующих формул осуществляется использованием методов матричной алгебры.
Уровни кодируются: «+1» - верхний уровень, «О» - средний, «-1» - нижний. Кодовые значения факторов (ХІ) связаны с натуральными (XJ) соотношением: Y _ Xi XiO
Определяемые значения коэффициентов уравнения регрессии заносятся в таблицу - матрицу планирования. При выборе факторов, от которых зависит функция отклика, проводился анализ априорной информации в соответствии с главами 1 и 2 данной работы. При этом соблюдались следующие требования к выбору факторов: - управляемость (фактор должен изменяться по требуемому закону или оставаться постоянным во время проведения опыта); - совместимость (должна быть возможность реализации любой комбинация факторов в пределах области их варьирования); - независимость факторов друг от друга.
Область варьирования факторов задавалась путём введения ограничений, исходя из технических, технологических соображений, а также опыта предыдущих исследователей данного вопроса, которые представлены в работах [1, 6, 11, 40, 48, 67, 99, 109]. При выборе интервалов варьирования факторов учитывались следующие требования: - интервал варьирования должен быть больше погрешности фиксации факторов и больше интервала изменения помех; - интервал варьирования должен быть меньше пределов вариации исследуемых факторов.
Выбранные факторы, а также область их варьирования представлены в таблице 3.2 С целью исключения систематической погрешности проводится рандомизация опытов в соответствии с таблицей случайных чисел. Для исключения влияния случайных погрешностей выбирается повторность проведения опытов.
В опытах использовался зерновой ворох пшеницы, поступивший непосредственно от зерноуборочного комбайна. Полный факторный эксперимент проводился на зерне пшеницы засоренностью 5%, производительность решета определялась также на зерне засоренностью 12%. Для обеспечения возможности наблюдений за процессом сепарации в ворох добавлялась солома (отрезки длиной 50 -80 мм). Перед опытами с использованием стандартных методик [9-11] определялись характеристики исходного вороха: влажность; содержание сорных примесей, в том числе соломы; содержание зерновых примесей, натурная масса.
Опыты проводились при различной подаче исходного зернового вороха. В каждом опыте визуально фиксировался характер движения зернового вороха в цилиндрическом решете и путем отсечки потоков фракций и взвешивания получаемых образцов определялись потери зерна с крупной примесями.
По результатам опытов строились графики изменения потерь зерна от подачи исходного зернового вороха. По этим графикам определялась максимальная подача зернового вороха, при которой потери зерна не превышают допустимые значения (0,1 %). Величина этой подачи принималась за производительность решета. За базовый вариант для сравнения принималось то же цилиндрическое решето при работе без винтового распределителя.
Уровни и интервалы варьирования факторов при проведении полного факторного эксперимента были определены в результате проведенных предварительных опытов и приведены в таблице 3.2. За функцию отклика принималась производительность цилиндрического решета. Матрица эксперимента представлена в таблице 3.3.
Обработка результатов полного факторного эксперимента осуществлялась по общепринятой методике. Основные характеристики зернового вороха, использованного в различных опытах, приведены в таблице 3.1.
Находятся выборочные оценки результатов измерений в каждом опыте; Число повторностей каждого опыта было принято равным трем, на каждом уровне. Проверяется однородность ряда дисперсий по критерию Кохрена:
По критерию Фишера проверяется адекватность полученной регрессионной модели. Рассчитывается значение Fp = 8ад / 8У . Если Fp FT(a,fi,KB), то модель адекватна. Здесь/} = N-(k+l) - число степеней свободы дисперсии адекватности.
Измерение необходимых параметров при проведении экспериментальных исследований проводилось с помощью приборов и специального оборудования (рисунок 3.4).
Определение влажности зернового материала производилось при помощи влагомера типа WILE-65. Объемный вес зернового материала определялся с помощью литровой пурки. Определение веса 1000 семян производилось с помощью лабораторных весов с точностью +0.01 г. Время проведения опыта определялось с помощью секундомера. Для определения характера просеиваемости по длине решета применялись специальные емкости.
При экспериментальных исследованиях использовались следующие приборы, оборудование и материалы:
Микроповреждения определяли на оптимальном режиме работы установки, которые были установлены экспериментально (пр=65 мин"1, пв=50 мин"1).
К микроповреждениям относят повреждения, которые практически не изменяют физико-механических свойств зерна (царапины, выбоины, повреждения оболочки и т д.), но оказывают отрицательное действие на его посевные и продовольственные качества.
Микроповреждения зерна машиной определяют по разнице содержания зерен с микроповреждениями в очищенном и исходном материале в порядке технологического процесса.
Для определения микроповреждения, отбирали четыре пробы до и после обработки (по 100 штук каждая). Каждые 100 зерен помещали в бумажный пакетик со всеми исходными данными. Зерна каждой сотни со всех сторон просматривали через лупу 10-кратного увеличения и выделяли зерна: - с поврежденным зародышем; - с поврежденным эндоспермом (микротрещины эндосперма, повреждена его оболочка). Если одно зерно имело 2 повреждения, то его относили в группу по наибольшей части повреждения.
В каждой группе подсчитывалось количество семян с тем или иным видом повреждения, и определяли количественную долю семян с микроповреждениями. Вычисления производили до десятой доли процента с последующим округлением до целого числа, результаты определений и вычислений записывались в таблицу. Разницу микроповреждений зерна до и после обработки оценивали по доверительному интервалу, определяемому по критерию Стьюдента.
